CC BY
43
УДК 681.5.015
А. Н. Лесных, В. А. Сарычев
ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ СЕКЦИЯМИ ШУНТОВЫХ СЕКЦИОННЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Для мощных систем электропитания космических аппаратов остро стоят проблемы увеличения помехозащищенности и надежности. Применение в системах электропитания цифровых компонентов вместо аналоговых позволяет частично решить эти проблемы. Предложены две различные схемы системы управления дополнительными секциями шунтовых секционных стабилизаторов напряжения, реализованные на цифровых компонентах.
В современных системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА) для стабилизации напряжения широко применяют шунтовые стабилизаторы напряжения (ШСН). Причем, для мощных СЭП целесообразно применять не один мощный ШСН, а несколько параллельно подключенных. Параллельно подключенные маломощные ШСН в этом случае называются секциями, а стабилизатор в целом - шунтовым секционным стабилизатором напряжения (ШССН) (рис.1). Законы управления секциями могут быть различные, но хотя бы одна из них регулируется по одному из законов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Рис. 1. Структурная схема СЭП С ШССН:
ПИ - первичный источник; ШИМ - широтно-импульсный модулятор; КЭ(г) - г'-й ключевой элемент; F(г') - сигнал управления г-м ключевым элементам; RB(г) - г-е балластное сопротивление, Ф - емкостной фильтр, Н - нагрузка
Если У > 0,95, то на выходе ИС должен быть сформирован сигнал включения дополнительной секции, при 7 < 0,05 должен быть сформирован сигнал отключения. Для избежания ложных коммутаций дополнительных секций во время переходных процессов условия переключения дополнительных секций должны выполняться в течение определенного времени. Это равносильно введению линий задержки на выходе ИС. БУ КЭ должен формировать сигналы управления КЭ в зависимости от того, сколько сигналов включения и отключения было получено от ИС. При отключении нагрузки дополнительные секции подключаются последовательно одна за другой до достижения суммарной мощности величины, равной мощности активной нагрузки. При подключении нагрузки дополнительные секции отключаются последовательно, начиная с последней подключенной.
ИС (измеритель скважности) может быть реализован на базе двух 8-разрядных счетчиков (рис. 3).
Рис. 2. Упрощенная модель СУДС для ИДШССН: F(i) - сигнал управления г-м ключевым элементом; ЛЗ - линия задержки; БУКЭ - блок управления ключевыми элементами; ИС - измеритель скважности
Для мощных СЭП проблемы повышения надежности и помехозащищенности становятся особенно актуальны. Применение цифровых и смешанных аналого-цифровых решений в СУДС позволяет частично решить эти проблемы, а также снизить массогабаритные показатели СЭП.
Для импульсно-дискретного шунтового секционного стабилизатора напряжения (ИДШССН) предлагается использовать СУДС, собранную с использованием цифровых элементов [1].
Приведем принцип работы ИДШССН (рис. 2). Структурная схема СУДС для данного типа стабилизатора напряжения представлена на рис. 2
Первая секция данного стабилизатора управляется по одному из законов широтно-импульсной модуляции. Т
Скважность 7 (7 = — , где То - время открытого состо-
Тп
яния ключа (первого ключевого элемента)), пропорционально мощности, выделяемой на балластном сопротивлении, является управляющим сигналом для подключения и отключения дополнительных секций.
Рис. 3. Измеритель скважности
На суммирующий вход счетчиков подаются импульсы с периодом, равным 0,95 • T/100, где Т - период преобразования. Импульсы ШИМ, управляющие КЭ(1), подаются на управляющие входы (ENT) обоих счетчиков (второй счетчик подключен через инвертор), тем самым разрешая или запрещая счет какому-либо из счетчиков. Дру-
гими словами, для первого счетчика сигнал «ключ замкнут» разрешает счет, а для второго запрещает счет, и наоборот. Таким образом, при У >0,95 на выходе переноса первого счетчика появляется импульс, информирующий о том, что необходимо подключить дополнительную секцию. А при У <0,05 , на выходе переноса другого счетчика, появляется импульс, отвечающий за отключение одной секции. Если эта информация сохраняется некоторое время, то она поступает в БУ КЭ.
БУ КЭ может быть реализован с помощью реверсивного счетчика и дешифратора (рис. 4).
Для шунтового секционного стабилизатора напряжения с управлением по избытку тока (ШССНУИТ) предлагается использовать схему СУДС, собранную с использованием цифровых компонентов (рис. 7).
Упрощенная модель СЭП с ШССНУИТ представлена на рис. 7.
Рис. 6. Линия задержки
БУ КЭ
<+_ИТ 1
Тит 2
Рис. 4. Блок управления ключевыми элементами
Сигналы, отвечающие за подключение дополнительных секций, подаются на суммирующий вход реверсивного счетчика, а сигналы отключения дополнительных секций поступают на вычитающий вход. Таким образом, на выходе реверсивного счетчика в двоичном виде хранится информация о том, сколько дополнительных секций должно быть подключено в данный момент. Двоичный код поступает на вход дешифратора, а далее с помощью несложной логики, реализованной с помощью логических элементов ИЛИ, формируются управляющие сигналы для КЭ(г).
Линии задержки могут быть реализованы с помощью одновибратора. Сигнал включения или отключения на выходе ИС запускает одновибратор. Если одновибратор запущен (на выходе 1), то импульсы, поступающие от ИС, игнорируются. Работа линии задержки показана на рис. 5.
Схема линии задержки приведена на рис. 6.
Рис. 7. Упрощенная модель СЭП с ШССНУИТ:
ИТ 1 - значение тока на ПИ, измеренное с помощью первого
измерителя тока; ИТ 2 - величина тока потребляемая нагрузкой измеренная с помощью второго измерителя тока; F(г') - сигнал управления г-м ключевым элементом; БУКЭ -блок управления ключевыми элементами; ИТ - измеритель тока; N - количество секций с балластным сопротивлением
Для рассматриваемой СУДС управляющим сигналом для подключения или отключения дополнительных секций является разница токов ИТ 1 и ИТ 2. Эта разница показывает на сколько ток, генерируемый ПИ, больше, чем ток, потребляемый на нагрузке. Если разделить эту разницу на ток, потребляемый одной дополнительной секцией с балластным сопротивлением, то мы получим количество дополнительных секций, которые должны быть подключены для стабилизации напряжения (мощности всех дополнительных секций равны).
А
и, в
А
и, в
Одновибратор
Скважность
Т, с
Т, с
и, в
А
А
и, в
Одновибратор
Скважность
т, с
Т, с
Рис. 5. Временные диаграммы работы ЛЗ: а - дополнительная секция не подключается (не отключается); б - дополнительная секция подключается (отключается)
Таким образом, количество дополнительных секций рассчитывается по следующей формуле:
К = 1ИТ1 — 1ИТ 2 (1)
1КВ
где /ИТ1 - ток, пропущенный через ИТ 1; 1Ш2 - ток, пропущенный через ИТ 2; 1КБ - ток, пропущенный через секцию с балластным сопротивлением.
Расчет К и формирование сигналов управления дополнительными секциями осуществляется в БУ КЭ.
Описанная выше СУДС может быть реализована следующим образом.
Если на выходах измерителей тока ИТ 1 и ИТ 2 формируется аналоговый сигнал, тогда необходимо на выходе каждого измерителя тока установить аналого-цифровой преобразователь. Измеренные значения тока с ИТ 1 и ИТ 2 поступают на арифметически-логическое устройство (АЛУ), где определяется разница токов на ИТ 1 и ИТ 2, которая является управляющим сигналом для БУ КЭ.
БУ КЭ может быть реализован с помощью микропроцессора, в котором заложен алгоритм расчета К и формирования управляющих сигналов на отключение и подключение дополнительных секций. В библиотеках программ схемотехнического моделирования не представлены модели современных микропроцессоров, поэтому БУ КЭ, была реализована с помощью N (V - максимальное количество дополнительных секций с балластным сопротивлением), последовательно включенных АЛУ и выполняющих операцию вычитания. БУ КЭ, собранная с помощью N АЛУ, работает по следующему принципу: на первое АЛУ подается разница токов DIF(ИТ1, ИТ2) и ток, проходящий через секцию с дополнительным балластным сопротивлением 1(ЯБ). Если разница DIF(ИТ1, ИТ2) - 1(ИБ) > 0, то на выходе БУ КЭ формируется сигнал о подключении первой дополнительной
секции с балластным сопротивлением. На второе АЛУ подается разница токов, вычисленная первым АЛУ и 1(ЯБ). Если разница DIF(ИТ1, ИТ2) - 1(Щ - 1(Щ > 0, то на выходе БУ КЭ формируется сигнал о подключении второй дополнительной секции с балластным сопротивлением и т. д.
Проверка работоспособности предлагаемых СУДС производилась с помощью имитационных моделей, созданных в системе схемотехнического моделирования OrCAD 9.2 [2]. Схемы показали свою работоспособность как на маломощных (2 кВт) так и на мощных (до 15 кВт) СЭП. Также схемы были протестированы на СЭП с различным уровнем опорного напряжения (от 27 В до 100 В). Устойчивая работа схем при различных внутренних параметрах СЭП подтвердила работоспособность предлагаемых СУДС, а полученные имитационные модели были использованы для исследования зависимости показателей качества напряжения (время регулирования, перерегулирование, пульсации) от параметров СЭП КА.
Библиографический список
1. Лесных, А. Н. Автоматизированная система научных исследований для синтеза систем электропитания космических аппаратов / А. Н. Лесных, В. А. Сарычев // Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Ре-шетнева / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, Красноярск, 2005. Вып. 7.
2. Лесных, А. Н. Моделирование импульсно-дискретного шунтового секционного стабилизатора напряжения в системе схемотехнического моделирования OrCAD 9.2 / А. Н. Лесных // Современные техника и технологии : материалы XI Междунар. научно-практич. конф. студентов и молодых ученых, 28 марта - 1 апр. 2005 г. Томск. Томск : Изд-во Том. политехнич. ун-та, 2005.
A. N. Lesnykh, V. A. Sarychev
DIGITAL CONTROL SYSTEMS OF ADDITIONAL SECTIONS OF SHUNT SECTIONAL VOLTAGE STABILIZERS
There are issues of increase interference immunity and reliability in powerful energy supply systems of spacecrafts. The application of digital components in energy supply systems are allowed to partly solve these issues. The paper says about two digital schemes of control system of additional sections of shunt sectional voltage stabilizers.
